Молекулярная визуализация

Молекулярная визуализация - это область медицинской визуализации , которая фокусируется на молекулах визуализации медицинского интереса у живых пациентов. Это в отличие от обычных методов получения молекулярной информации из образцов сохранившейся ткани, таких как гистология . Молекулы, представляющие интерес, могут быть либо из тех, которые вырабатываются естественным образом организмом, или синтетические молекулы, продуцируемые в лаборатории и вводятся врачу. Наиболее распространенным примером молекулярной визуализации, используемой клинически сегодня, является внедрение контрастного агента (например, микропузырька , иона металла или радиоактивный изотоп) в кровоток пациента и использование модальности визуализации (например, ультразвук , МРТ , КТ , ПЭТ ) отслеживать его движение в теле. Молекулярная визуализация возникла из области радиологии от необходимости лучше понять фундаментальные молекулярные процессы внутри организмов неинвазивным образом.

Конечная цель молекулярной визуализации - иметь возможность неинвазивно контролировать все биохимические процессы, происходящие внутри организма в режиме реального времени. Текущие исследования в области молекулярной визуализации включают клеточную / молекулярную биологию , химию и медицинскую физику и сосредоточено на: 1) разработке методов визуализации для обнаружения ранее обнаруженных типов молекул, 2) расширение количества и типов доступных контрастных агентов и 3)) Разработка функциональных контрастных агентов, которые предоставляют информацию о различных действиях, которые клетки и ткани выполняют как со здоровьем, так и в заболеваниях.

Обзор

Молекулярная визуализация появилась в середине двадцатого века как дисциплина на пересечении молекулярной биологии и визуализации in vivo . Это обеспечивает визуализацию клеточной функции и наблюдение за молекулярным процессом в живых организмах, не нарушая их. Многочисленные и многочисленные возможности этой области применимы к диагностике таких заболеваний, как рак, и неврологические и сердечно -сосудистые заболевания. Этот метод также способствует улучшению лечения этих расстройств путем оптимизации доклинических и клинических тестов новых лекарств. Ожидается, что они также будут иметь значительное экономическое влияние из -за более раннего и более точного диагноза. Молекулярная и функциональная визуализация приняла новое направление с момента описания генома человека. Новые пути в фундаментальных исследованиях, а также в прикладных и промышленных исследованиях делают задачу ученых более сложными и увеличивают требования к ним. Поэтому в порядке учебной программы, созданной на специально разработанной.

Молекулярная визуализация отличается от традиционной визуализации тем, что зонды, известные как биомаркеры, используются для помощи в изображении определенных мишеней или путей. Биомаркеры химически взаимодействуют с окружающей средой и, в свою очередь, изменяют изображение в соответствии с молекулярными изменениями, происходящими в интересующей области. Этот процесс заметно отличается от предыдущих методов визуализации, которые в основном отображают различия в таких качествах, как плотность или содержание воды. Эта способность изображать тонкие молекулярные изменения открывает невероятное количество захватывающих возможностей для медицинского применения, включая раннее обнаружение и лечение заболевания и основное фармацевтическое развитие. Кроме того, молекулярная визуализация допускает количественные тесты, придавая большую степень объективности в изучение этих областей. Одной из новых технологий является молекулярная визуализация MALDI на основе масс -спектрометрии . ^{[ Цитация необходима ]}

Многие области исследований проводятся в области молекулярной визуализации. В настоящее время много исследований сосредоточено на обнаружении того, что известно как состояние предисзаи или молекулярные состояния, которые возникают до обнаружения типичных симптомов заболевания. Другими важными венами исследований являются визуализация экспрессии генов и развитие новых биомаркеров. Такие организации, как SNMMI Центр молекулярной визуализации , сформировались для поддержки исследований в этой области. В Европе другие «сети превосходства», такие как DIMI (диагностика в молекулярной визуализации) или Emil (европейские молекулярные лаборатории визуализации), работают над этой новой наукой, интеграции деятельности и исследований в этой области. Таким образом, европейская мастерская программа «Emmi» создается для обучения нового поколения профессионалов в области молекулярной визуализации.

Недавно термин молекулярная визуализация была применена к различным методам микроскопии и наноскопии, включая микроскопию живых клеток, флуоресцентную флуоресценцию внутреннего отражения (TIRF)-микроскопия, стимулированное истощение эмиссии (STED) -наноскопия и микроскопия атомной силы (AFM) как изображения (STED) и микроскопия атомной силы (AFM) (AFM). молекул - это показания.

Методы визуализации

Существует много различных методов, которые можно использовать для неинвазивной молекулярной визуализации. У каждого есть свои сильные и слабые стороны, а некоторые более искусны в визуализации множественных мишеней, чем другие.

Магнитно -резонансная томография

МРТ имеет преимущества иметь очень высокое пространственное разрешение и очень искусна в морфологической визуализации и функциональной визуализации. МРТ имеет несколько недостатков, хотя. Во -первых, МРТ имеет чувствительность около 10 ⁻³ моль/л до 10 ⁻⁵ Мол/л, который, по сравнению с другими типами визуализации, может быть очень ограничивающим. Эта проблема проистекает из того факта, что разница между атомами в состоянии высокой энергии и состоянием с низкой энергией очень мала. Например, при 1,5 Tesla , типичной прочности поля для клинической МРТ, разница между высокими и низкими энергетическими состояниями составляет приблизительно 9 молекул на 2 миллиона. ^{[ Цитация необходима ]} Улучшения по повышению чувствительности МР включают увеличение силы магнитного поля и гиперполяризацию посредством оптической насос, динамической ядерной поляризации или поляризации, вызванной парагидрогеном . Существует также различные схемы усиления сигнала, основанные на химическом обмене, которые повышают чувствительность. ^{[ 1 ]}

Для достижения молекулярной визуализации биомаркеров заболеваний с использованием МРТ требуются целевые контрастные агенты МРТ с высокой специфичностью и высокой релаксативностью (чувствительность). На сегодняшний день многие исследования были посвящены разработке целевых контрастных агентов MRI для достижения молекулярной визуализации с помощью МРТ. Обычно пептиды, антитела или небольшие лиганды, а также небольшие белковые домены, такие как аффибоды HER-2, были применены для достижения нацеливания. Чтобы повысить чувствительность контрастных агентов, эти целевые фрагменты обычно связаны с контрастными агентами МРТ с высокой полезной нагрузкой или контрастными агентами МРТ с высокими расслаблениями. ^{[ 2 ]} В частности, недавнее развитие частиц оксида железа (MPIO) размером с микрона позволило достичь беспрецедентных уровней чувствительности к обнаружению белков, экспрессируемых артериями и венами. ^{[ 3 ]}

Оптическая визуализация

Есть ряд подходов, используемых для оптической визуализации. Различные методы зависят от флуоресценции , биолюминесценции , поглощения или отражения в качестве источника контраста. ^{[ 4 ]}

Наиболее ценным атрибутом оптической визуализации является то, что у него и ультразвука нет серьезных проблем безопасности, таких как другие методы медицинской визуализации. ^{[ Цитация необходима ]}

Недостатком оптической визуализации является отсутствие глубины проникновения, особенно при работе на видимых длин волн. Глубина проникновения связана с поглощением и рассеянием света, что в первую очередь является функцией длины волны источника возбуждения. Свет поглощается эндогенными хромофорами, обнаруженными в живой ткани (например, гемоглобин, меланин и липиды). В целом, поглощение света и рассеяние уменьшаются с увеличением длины волны. Ниже ~ 700 нм (например, видимые длина волн) эти эффекты приводят к неглубоким глубине проникновения всего в несколько миллиметров. Таким образом, в видимой области спектра возможна только поверхностная оценка признаков ткани. Более 900 нм поглощение воды может мешать соотношению сигнал-западного земли. Поскольку коэффициент поглощения ткани значительно ниже в области ближней инфракрасной (NIR) (700-900 нм), свет может проникать более глубоко, до глубины нескольких сантиметров. ^{[ 5 ]}

Почти инфракрасная визуализация

Флуоресцентные зонды и этикетки являются важным инструментом для оптической визуализации. Некоторые исследователи применили визуализацию NIR в модели острого инфаркта миокарда (AMI), используя пептидный зонд, который может связываться с апоптотическими и некротическими клетками. ^{[ 6 ]} Ряд флуорофоров ближнего инфракрасного (NIR) был использован для визуализации in vivo, включая красители и конъюгаты Kodak X-Sight, PZ 247, Dylight 750 и 800 флюорров, Cy 5,5 и 7 флюорс, Alexa Fluor 680 и 750 Dears, Irdyee 680 и 800CW Fluors. Квантовые точки, с их фотостабильностью и яркими выбросами, вызвали большой интерес; Тем не менее, их размер исключает эффективное разрешение от кровообращения и почечных систем, демонстрируя долгосрочную токсичность. ^{[ Цитация необходима ]}.

Несколько исследований продемонстрировали использование инфракрасных красителей, меченных зондами при оптической визуализации.

При сравнении гамма-сцинтиграфии и визуализации NIR, циклопентапептидного двойного маркировки ¹¹¹
В и флуорофор NIR использовали для изображения αVβ3 -интегрин- положительной меланомы ксенотрансплантатов. ^{[ 7 ]}
Вблизи инфракрасных маркеров RGD, нацеленного на αvβ3- интегрин, использовался в многочисленных исследованиях для нацеливания на различные раковые заболевания. ^{[ 8 ]}
Флуорофор NIR был конъюгирован с эпидермальным фактором роста (EGF) для визуализации прогрессирования опухоли. ^{[ 9 ]}
Флуорофор NIR сравнивали с Cy5.5, что позволяет предположить, что красители длины волны могут вызывать более эффективные целевые агенты для оптической визуализации. ^{[ 10 ]}
Памидронат был помечен флуорофором NIR и используется в качестве агента визуализации кости для обнаружения остеобластической активности у живого животного. ^{[ 11 ]}
NIR-флуорофорный GPI, мощный ингибитор PSMA ( специфичный мембранный антиген предстательной железы ). ^{[ 12 ]}
Использование человеческого сывороточного альбумина, помеченного NIR Fluorophore в качестве агента отслеживания для картирования лимфатических узлов Sentinel. ^{[ 13 ]}
2-дезокси-D-глюкоза, помеченная флуорофором NIR. ^{[ 14 ]}

Важно отметить, что добавление датчика NIR к любому вектору может изменить биосовместимость вектора и биологическое распределение. Следовательно, нельзя однозначно предположить, что сопряженный вектор будет вести себя аналогично нативной форме.

Компьютерная компьютерная томография с одним фотоном

мыши Изображение Spect (костяной трасс )

Разработка компьютерной томографии в 1970 -х годах позволила картировать распределение радиоизотопов в органе или ткани и привела к технике, которая теперь называется однократной компьютерной томографией из эмиссии с фотоном (SPECT).

Агент визуализации, используемый в Spect, излучает гамма -лучи, в отличие от позитронных излучателей (например ¹⁸
F ) Используется в домашнем животном. Существует ряд радиоотранс ^{99 м}
TC , ¹¹¹
В , ¹²³
Я , ²⁰¹
TL ), которые можно использовать, в зависимости от конкретного приложения.

Ксенон ( ¹³³
Xe ) Газ является одним из таких радиостанций. Было показано, что он является ценным для диагностических исследований вдыхания для оценки легочной функции; для визуализации легких; и также может использоваться для оценки RCBF. Обнаружение этого газа происходит через гамма -камеру , которая является сцинтилляционным детектором, состоящим из коллиматора, кристалла NAI и набора фотоумножильных труб.

Вращая гамма-камеру вокруг пациента, можно получить трехмерное изображение распределения Radiotracer с использованием фильтрованной обратной проекции или других томографических методов. Радиоизотопы, используемые в Spect, имеют относительно длинные половины жизни (от нескольких часов до нескольких дней), что делает их легкими в производстве и относительно дешевой. Это представляет собой основное преимущество SPECT в качестве метода молекулярной визуализации, поскольку она значительно дешевле, чем ПЭТ или МРТ. Однако ему не хватает хорошего пространственного (т.е., где именно частица есть) или временная (т. Е. Происходил ли сигнал контрастного агента в этой миллисекундной или той миллисекундной) разрешении. Кроме того, из -за радиоактивности контрастного агента существуют аспекты безопасности, касающиеся введения радиоизотопов к субъекту, особенно для последовательных исследований.

Позитронная эмиссионная томография

Воспаление суставов у суставов у артритной мыши с использованием позитронной эмиссионной томографии.

ПЭТ, МРТ и наложенные изображения человеческого мозга.

Позитронная эмиссионная томография (ПЭТ)-это метод визуализации ядерной медицины , которая производит трехмерное изображение или картину функциональных процессов в организме. Теория, стоящая за домашним животным, достаточно проста. Сначала молекула помечена позитронным излучающим изотопом. Эти позитроны уничтожаются с близлежащими электронами, излучая два фотонов 511 кэВ, направленные на 180 градусов друг от друга в противоположных направлениях. Эти фотоны затем обнаруживаются сканером, который может оценить плотность позитронных аннигиляций в определенной области. Когда произошло достаточное количество взаимодействий и аннигиляций, плотность исходной молекулы может быть измерена в этой области. Типичные изотопы включают ¹¹
В , ¹³
N , ¹⁵
О , ¹⁸
F , ⁶⁴
С , ⁶²
С , ¹²⁴
Я , ⁷⁶
Br , ⁸²
РБ , ⁸⁹
Zr и ⁶⁸
Ga , с ¹⁸
F является наиболее клинически используемым. Одним из основных недостатков ПЭТ является то, что большинство зондов должны быть сделаны с циклотроном. Большинство из этих зондов также имеют полузащиту, измеренную за часы, заставляя циклотрона быть на месте. Эти факторы могут сделать ПЭТ чрезмерно дорогим. ПЭТ -визуализация имеет много преимуществ, хотя. В первую очередь - его чувствительность: типичный сканер ПЭТ может обнаружить между 10 ⁻¹¹ моль/л до 10 ⁻¹² концентрации мол/л.

Смотрите также

Ссылки

^ Галлахер, FA (2010). «Введение в функциональную и молекулярную визуализацию с МРТ». Клиническая радиология . 65 (7): 557–566. doi : 10.1016/j.crad.2010.04.006 . ISSN 0009-9260 . PMID 20541655 .
^ Shenghui, Сюэ; Jingjuan Qiao; Фанат pu; Мэтью Кэмерон; Дженни Дж. Ян (17 января 2013 г.). «Дизайн нового класса белковых магнитно-резонансных визуализации контрастных агентов для молекулярной визуализации биомаркеров рака» . Wiley Interdiscip Rev Nanomed Nanobiotechnol . 5 (2): 163–79. doi : 10.1002/wnan.1205 . PMC 4011496 . PMID 23335551 .
^ Гауберти М., Монтань А., Куэно А., Вивьен Д. (2014). «Молекулярная магнитно-резонансная визуализация мозговых иммунных взаимодействий» . Передние клеточные нейроски . 8 : 389. doi : 10.3389/fncel.2014.00389 . PMC 4245913 . PMID 25505871 .
^ Weissleder R, Mahmood U (май 2001 г.). «Молекулярная визуализация». Радиология . 219 (2): 316–33. doi : 10.1148/radiology.219.2.r01ma19316 . PMID 11323453 .
^ Ковар Дж.Л., Симпсон М.А., Шуц-Гесвендер А., Олив Д.М. (август 2007 г.). «Систематический подход к разработке флуоресцентных контрастных агентов для оптической визуализации моделей рака мыши» . Анальный. Биохимия . 367 (1): 1–12. doi : 10.1016/j.ab.2007.04.011 . PMID 17521598 . как PDF -архив 11 февраля 2009 г., на машине Wayback
^ Ачарья, б; Ван, К; Ким, есть; Кан, w; Луна, c; Ли, BH (2013). «Визуализация in vivo гибели клеток миокарда с использованием пептидного зонда и оценки долгосрочной функции сердца». Журнал контролируемого выпуска . 172 (1): 367–73. doi : 10.1016/j.jconrel.2013.08.294 . PMID 24021357 .
^ Хьюстон Дж.П., К.Е., Ван В., Ли С., Севик-Мурака Э.М. (2005). «Анализ качества флуоресценции вблизи инфракрасных и обычных гамма-изображений in vivo, полученных с использованием двойного меченного датчика с опухолью» . J Biomed Opt . 10 (5): 054010. Bibcode : 2005JBO .... 10E4010H . doi : 10.1117/1,2114748 . PMID 16292970 .
^ Chen K, Xie J, Chen X (2009). «Конъюгаты RGD-мужского сывороточного альбумина в качестве эффективных зондов нацеливания на опухоль» . Мол визуализации . 8 (2): 65–73. doi : 10.2310/7290.2009.00011 . PMC 6366843 . PMID 19397852 . Архивировано из оригинала 2014-03-26.
^ Ковар Дж.Л., Джонсон М.А., Волшек В.М., Чен Дж., Симпсон М.А. (октябрь 2006 г.). «Экспрессия гиалуронидазы индуцирует метастазирование опухоли простаты в модели ортотопной мыши» . Являюсь. J. Pathol . 169 (4): 1415–26. doi : 10.2353/ajpath.2006.060324 . PMC 1698854 . PMID 17003496 .
^ Adams Ke, Ke S, Kwon S, et al. (2007). «Сравнение видимых и ближних инфракрасных флуоресцентных красителей для молекулярной визуализации рака» . J Biomed Opt . 12 (2): 024017. BIBCODE : 2007JBO .... 12B4017A . doi : 10.1117/1,2717137 . PMID 17477732 . S2CID 39806507 .
^ Захир А., Ленкински Р.Е., Махмуд А., Джонс А.Г., Канли Л.К., Франгиони СП (декабрь 2001 г.). «In vivo, ближняя инфракрасная флуоресцентная визуализация остеобластической активности». НАТ Биотехнол . 19 (12): 1148–54. doi : 10.1038/nbt1201-1148 . PMID 11731784 . S2CID 485155 .
^ Hamblet V, Lapidus R, Williams LR, et al. (2005). «Высокоаффинные флуоресцентные флуоресцентные флуоресцентные контрастные агенты для визуализации in vivo специфического мембранного антигена простаты» . Мол визуализации . 4 (4): 448–62. doi : 10.2310/7290.2005.05163 . PMID 16285907 .
^ Ohnishi S, Lomnes SJ, Laurence RG, Gogbashian A, Mariani G, Frangioni JV (2005). «Органические альтернативы квантовым точкам для интраоперационного картирования флуоресцентного лимфатического узла вблизи инфракрасных лим-узлов» . Мол визуализации . 4 (3): 172–81. doi : 10.1162/15353500200505127 . PMID 16194449 .
^ Kovar JL, Volcheck W, Sevick-Muraca E, Simpson MA, Olive DM (январь 2009 г.). «Характеристика и производительность почти инфракрасного 2-дезоксиглюкозного оптического визуализации для моделей рака мыши» . Анальный. Биохимия . 384 (2): 254–62. doi : 10.1016/j.ab.2008.09.050 . PMC 2720560 . PMID 18938129 . Как PDF -архив 13 июля 2011 года, на The Wayback Machine

[Gallagher2010-1] Галлахер, FA (2010). «Введение в функциональную и молекулярную визуализацию с МРТ». Клиническая радиология . 65 (7): 557–566. doi : 10.1016/j.crad.2010.04.006 . ISSN 0009-9260 . PMID 20541655 .

[2] Shenghui, Сюэ; Jingjuan Qiao; Фанат pu; Мэтью Кэмерон; Дженни Дж. Ян (17 января 2013 г.). «Дизайн нового класса белковых магнитно-резонансных визуализации контрастных агентов для молекулярной визуализации биомаркеров рака» . Wiley Interdiscip Rev Nanomed Nanobiotechnol . 5 (2): 163–79. doi : 10.1002/wnan.1205 . PMC 4011496 . PMID 23335551 .

[pmid25505871-3] Гауберти М., Монтань А., Куэно А., Вивьен Д. (2014). «Молекулярная магнитно-резонансная визуализация мозговых иммунных взаимодействий» . Передние клеточные нейроски . 8 : 389. doi : 10.3389/fncel.2014.00389 . PMC 4245913 . PMID 25505871 .

[4] Weissleder R, Mahmood U (май 2001 г.). «Молекулярная визуализация». Радиология . 219 (2): 316–33. doi : 10.1148/radiology.219.2.r01ma19316 . PMID 11323453 .

[5] Ковар Дж.Л., Симпсон М.А., Шуц-Гесвендер А., Олив Д.М. (август 2007 г.). «Систематический подход к разработке флуоресцентных контрастных агентов для оптической визуализации моделей рака мыши» . Анальный. Биохимия . 367 (1): 1–12. doi : 10.1016/j.ab.2007.04.011 . PMID 17521598 . как PDF -архив 11 февраля 2009 г., на машине Wayback

[6] Ачарья, б; Ван, К; Ким, есть; Кан, w; Луна, c; Ли, BH (2013). «Визуализация in vivo гибели клеток миокарда с использованием пептидного зонда и оценки долгосрочной функции сердца». Журнал контролируемого выпуска . 172 (1): 367–73. doi : 10.1016/j.jconrel.2013.08.294 . PMID 24021357 .

[7] Хьюстон Дж.П., К.Е., Ван В., Ли С., Севик-Мурака Э.М. (2005). «Анализ качества флуоресценции вблизи инфракрасных и обычных гамма-изображений in vivo, полученных с использованием двойного меченного датчика с опухолью» . J Biomed Opt . 10 (5): 054010. Bibcode : 2005JBO .... 10E4010H . doi : 10.1117/1,2114748 . PMID 16292970 .

[8] Chen K, Xie J, Chen X (2009). «Конъюгаты RGD-мужского сывороточного альбумина в качестве эффективных зондов нацеливания на опухоль» . Мол визуализации . 8 (2): 65–73. doi : 10.2310/7290.2009.00011 . PMC 6366843 . PMID 19397852 . Архивировано из оригинала 2014-03-26.

[9] Ковар Дж.Л., Джонсон М.А., Волшек В.М., Чен Дж., Симпсон М.А. (октябрь 2006 г.). «Экспрессия гиалуронидазы индуцирует метастазирование опухоли простаты в модели ортотопной мыши» . Являюсь. J. Pathol . 169 (4): 1415–26. doi : 10.2353/ajpath.2006.060324 . PMC 1698854 . PMID 17003496 .

[10] Adams Ke, Ke S, Kwon S, et al. (2007). «Сравнение видимых и ближних инфракрасных флуоресцентных красителей для молекулярной визуализации рака» . J Biomed Opt . 12 (2): 024017. BIBCODE : 2007JBO .... 12B4017A . doi : 10.1117/1,2717137 . PMID 17477732 . S2CID 39806507 .

[11] Захир А., Ленкински Р.Е., Махмуд А., Джонс А.Г., Канли Л.К., Франгиони СП (декабрь 2001 г.). «In vivo, ближняя инфракрасная флуоресцентная визуализация остеобластической активности». НАТ Биотехнол . 19 (12): 1148–54. doi : 10.1038/nbt1201-1148 . PMID 11731784 . S2CID 485155 .

[12] Hamblet V, Lapidus R, Williams LR, et al. (2005). «Высокоаффинные флуоресцентные флуоресцентные флуоресцентные контрастные агенты для визуализации in vivo специфического мембранного антигена простаты» . Мол визуализации . 4 (4): 448–62. doi : 10.2310/7290.2005.05163 . PMID 16285907 .

[13] Ohnishi S, Lomnes SJ, Laurence RG, Gogbashian A, Mariani G, Frangioni JV (2005). «Органические альтернативы квантовым точкам для интраоперационного картирования флуоресцентного лимфатического узла вблизи инфракрасных лим-узлов» . Мол визуализации . 4 (3): 172–81. doi : 10.1162/15353500200505127 . PMID 16194449 .

[14] Kovar JL, Volcheck W, Sevick-Muraca E, Simpson MA, Olive DM (январь 2009 г.). «Характеристика и производительность почти инфракрасного 2-дезоксиглюкозного оптического визуализации для моделей рака мыши» . Анальный. Биохимия . 384 (2): 254–62. doi : 10.1016/j.ab.2008.09.050 . PMC 2720560 . PMID 18938129 . Как PDF -архив 13 июля 2011 года, на The Wayback Machine

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]